Рассказывает Ольга Волкова, профессор кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета Московского университета.
На кафедре физики низких температур и сверхпроводимости проводятся комплексные исследования свойств различных материалов при экстремально низких температурах – вплоть до 2 Кельвинов. Для этого используется уникальное оборудование, позволяющее измерять магнитные, тепловые и электрические характеристики образцов в широком диапазоне температур и магнитных полей.
Основу экспериментальной базы составляет унифицированный конструктор PPMS (Physical Property Measurement System), в котором, меняя отдельные блоки, можно проводить измерения термодинамических и кинетических свойств твердых тел при температурах от 2 до 400 К в магнитных полях до 9 Тесла.
Важной особенностью работы кафедры является использование жидкого гелия для достижения сверхнизких температур. Гелий – очень дорогой и дефицитный ресурс, поэтому на кафедре создана целая инфраструктура для его сбора и повторного использования. Испаряющийся из приборов газообразный гелий собирается по специальной системе трубок, очищается от примесей и вновь сжижается на гелиевой станции.
Помимо гелия для работы низкотемпературного оборудования необходим жидкий азот. Его получают прямо на кафедре из атмосферного воздуха с помощью специальной установки.
Одно из основных направлений исследований кафедры – изучение так называемых железных сверхпроводников. Эти работы ведутся в тесном сотрудничестве с химиками, которые синтезируют новые составы. Целью является поиск материалов с высокими температурами магнитного упорядочения.
Важную роль в исследованиях играет метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). На кафедре установлен уникальный низкотемпературный ЭПР-спектрометр, позволяющий проводить измерения вплоть до гелиевых температур. ЭПР дает возможность изучать тонкую структуру магнитной подсистемы образцов, разделять вклады от различных магнитных ионов. Это очень полезно для понимания фундаментальных свойств вещества в квантовом состоянии.
Ученые кафедры активно участвует в международных научных проектах. Один из текущих проектов, финансируемый Российским научным фондом (РНФ), направлен на создание и исследование материалов со структурой перовскита, в которых в позиции катиона внедрены 4d и 5d металлы.
Этот проект выполняется в сотрудничестве с индийскими теоретиками, которые ранее предсказали необычные магнитные свойства таких материалов. Задача экспериментаторов кафедры – синтезировать эти соединения и проверить теоретические предсказания на практике.
Кафедра тесно взаимодействует с другими научными группами и факультетами. У нас налажено плодотворное сотрудничество с химическим факультетом МГУ, где синтезируются новые материалы для исследований. Также ведутся совместные работы с геологическим факультетом, обладающим мощной кристаллографической базой.
Кроме того, кафедра сотрудничает со специалистами из Академии наук, которые выращивают кристаллы халькогенидов переходных металлов – соединений серы, селена и теллура с 3d, 4d и 5d металлами. Эти материалы представляют большой интерес для фундаментальной науки и перспективны для практических приложений.
Помимо уже упомянутой универсальной установки PPMS на кафедре имеется ряд других уникальных приборов. Среди них – резонансные установки для изучения квантовых эффектов в твердых телах. Доступ к этому оборудованию строго контролируется, и без присутствия ответственных сотрудников посетить эти лаборатории невозможно.
Особое внимание уделяется работе с жидким гелием. Для его хранения используются специальные сосуды Дьюара различного объема. Некоторые из них еще советского производства, так называемые «транспортные сороковки». Современное оборудование позволяет эффективно очищать и повторно сжижать гелий, что крайне важно, учитывая его высокую стоимость.
Исследования, проводимые на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости МГУ, имеют как фундаментальное, так и прикладное значение. Изучение свойств материалов при экстремально низких температурах позволяет глубже понять природу квантовых эффектов в твердых телах. В то же время эти знания могут быть использованы для создания новых функциональных материалов с уникальными свойствами.
Одним из ключевых направлений работы кафедры является постоянное совершенствование методов исследования. Помимо традиционных измерений магнитных, электрических и тепловых свойств здесь активно развиваются новые экспериментальные подходы.
Другим перспективным направлением является разработка методов исследования наноструктурированных материалов при низких температурах. Здесь особую роль играет сотрудничество со специалистами в области нанотехнологий, что позволяет создавать и изучать материалы с контролируемой структурой на наноуровне.
Исследования при сверхнизких температурах часто сопряжены с созданием экстремальных условий не только по температуре, но и по давлению и магнитному полю. На кафедре имеется оборудование, позволяющее проводить эксперименты при высоких давлениях в алмазных наковальнях. Это открывает возможности для изучения фазовых переходов и изменения свойств материалов под воздействием экстремального сжатия.
Более того, ведутся работы по созданию установок для генерации сверхсильных импульсных магнитных полей. Такие поля позволяют исследовать поведение материалов в условиях, недостижимых при использовании стационарных магнитов.
Хотя основной акцент на кафедре делается на экспериментальных исследованиях, здесь также активно развивается теоретическое направление. Теоретики работают в тесном контакте с экспериментаторами, помогая интерпретировать полученные результаты и предсказывая новые эффекты, которые затем проверяются в лаборатории.
Особое внимание уделяется компьютерному моделированию свойств материалов при низких температурах. Для этого используются современные методы квантовой химии и теории функционала плотности. Такой подход позволяет не только объяснять наблюдаемые явления, но и предсказывать свойства еще несинтезированных материалов.
Хотя большая часть работ на кафедре носит фундаментальный характер, здесь не забывают и о практическом применении полученных результатов. Ведутся исследования, направленные на создание новых функциональных материалов для криогенной техники, сверхпроводящих устройств и квантовых компьютеров.
Например, изучение магнитных свойств материалов при низких температурах важно для разработки высокочувствительных магнитометров, которые могут найти применение в медицине (магнитоэнцефалография) и геологоразведке. Исследования теплофизических свойств важны для создания эффективных теплоизоляционных материалов для криогенной техники.
Также ведется активная работа по поиску новых высокотемпературных сверхпроводников. Повышение критической температуры сверхпроводящего перехода может привести к революции в энергетике и транспорте, позволив создавать сверхпроводящие кабели, работающие при температуре жидкого азота или даже при комнатной температуре.
Кафедра физики низких температур и сверхпроводимости играет важную роль в подготовке высококвалифицированных специалистов в области физики конденсированного состояния. Здесь регулярно проходят практику студенты физического факультета МГУ, а также ребята из других вузов. На кафедре регулярно проводятся экскурсии для школьников и студентов младших курсов, организуются научно-популярные лекции и семинары. Это позволяет заинтересовать молодых людей современной физикой и показать им красоту и важность научных исследований.
Сотрудники кафедры активно участвуют в различных научно-популярных мероприятиях, таких как Фестиваль науки, Дни открытых дверей МГУ, выступают с лекциями в школах и научных музеях. Это способствует повышению интереса общества к фундаментальной науке и привлечению внимания к важности исследований в области физики низких температур.
Кафедра физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ представляет собой уникальный научно-образовательный комплекс, где ведутся передовые исследования в области физики конденсированного состояния. Сочетание современного оборудования, инновационных методик и высококвалифицированных специалистов позволяет проводить эксперименты мирового уровня и готовить специалистов, способных решать самые сложные задачи современной физики.
